El procesador central de la computadora (CPU)

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Центральный процессор компьютера (ЦПУ)

Hoy estamos considerando el procesador central de una CPU de computadora (Unidad Central de Procesamiento - unidad de procesamiento central o CPU). Este es el corazón de la unidad del sistema o, si se quiere, ¡su cerebro! En la jerga de los programadores de computadoras a veces se llama "piedra" (el silicio cristalino realmente se parece a una piedra).

Este es el controlador principal de la información que llega a la computadora. El procesador central realiza todas las operaciones matemáticas necesarias con los datos entrantes, produce varias muestras de bases de datos, archiva y descomprime nuestros archivos, maneja la codificación de video, procesa el modelo de interacción física de partículas en su juego de computadora favorito, ¡finalmente!

El procesador central de una computadora moderna hace mucho, será más fácil enumerar lo que no funciona :)

Aquí hay algunas fotos de la CPU:

La primera foto, este es un procesador central de doble núcleo de la compañía "Intel", el segundo - está de vuelta. Este lado se inserta en el zócalo del procesador (zócalo) en la placa base . En estas fotos, vemos la CPU del factor de forma "LGA-775". La abreviatura "LGA" es una abreviación de inglés. "Land Grid Array": el tipo de carcasa con una matriz de almohadillas de contacto. Se suministraron modelos obsoletos en las carcasas "PGA" (Pin Grid Array), tal como se muestra un procesador desactualizado en la última foto de arriba.

La introducción del nuevo factor de forma se debió al hecho de que el número de "patas" (pines) de la CPU de generaciones anteriores aumentó a tal punto que entre ellos comenzó a aparecer interferencia eléctrica parásita, que afecta el funcionamiento del dispositivo final. La peculiaridad de "LGA" es que los contactos se transfieren desde la carcasa del procesador a la superficie del zócalo (zócalo), que se encuentra en la placa base. En el sustrato de chip, solo quedan las superficies de contacto (los denominados "parches").

En modelos de computadora más antiguos, la instalación del procesador se asoció con un cierto riesgo de doblez o (Dios no lo quiera) para romper uno de varios cientos de patas PGA. ¡Un sueño terrible del ensamblador de computadoras! :) Ahora todo es mucho más fácil.

Lo que vemos en las fotos de arriba es el caparazón externo de la CPU de la computadora. Su función es proteger el núcleo (el cristal de silicio) de la acción mecánica, proporcionar el área de contacto con el sistema de enfriamiento (radiador) y también proporcionar un contacto eléctrico para alimentar el dispositivo (fotos arriba bajo el número "1" y "2").

El procesador central de la computadora consiste en una placa cuadrada de textolita, en la que está montado firmemente su núcleo (un cristal de silicio), así como los cables de los contactos eléctricos, además de una cubierta protectora desde arriba. ¿Qué hay debajo de esta tapa que consideramos aquí?

El proceso de fabricación de chips terminados se puede describir aproximadamente de la siguiente manera: capas de conductores, semiconductores y aisladores se aplican alternativamente a un sustrato de silicio delgado (sustrato) a través de "máscaras" especiales con ranuras mediante litografía. A veces se usa el proceso de grabar elementos en un chip (a través de los mismos agujeros en la "máscara"). Después del final del procedimiento, el sustrato se corta en cuadrados, que están revestidos con una capa protectora y conductora de calor, se proporcionan almohadillas de contacto y el producto está listo.

Ahora el mercado de los procesadores de escritorio se divide entre ellos casi solo dos grandes empresas: "Intel" y "AMD". Según los datos de 2011, el primero "celebró" más del 80% de este mercado, y el segundo - algo más del 10%. Otra cosa muy distinta es el rápido desarrollo del mercado de procesadores móviles. Aquí simplemente hay un gran número de compañías que emiten sus soluciones (bueno, no del todo "propias", pero hablaremos de esto en otro artículo).

Esquemáticamente, el dispositivo interno de la CPU se puede representar de la siguiente manera:

Aquí hay una imagen visual del chip de la CPU en la sección:

Y este es un poderoso Athlon de doble núcleo:

Sí, aquí hay otra foto, para completar la imagen, por así decirlo:

Este también es un procesador de computadora, solo que en un diseño diferente. Hubo, a su debido tiempo, muestras similares, una placa textolite que se insertó verticalmente en un conector especial en la placa base. Se llamó (Slot A), de ahí el término "procesadores de tragamonedas". Por encima de todo, el diseño se asemeja a un cartucho de una consola de juegos con un ventilador en el lateral :)

Si toca un aspecto tan importante como el rendimiento de la CPU, depende directamente de varios componentes y el siguiente está compuesto por ellos:

  • su frecuencia de reloj
  • número de núcleos
  • número y velocidad de cachés de memoria

Analizaremos cada uno de los puntos con más detalle. La velocidad del reloj del procesador se mide en hercios (Hz).

Nota: Hertz (Hz) es una unidad para medir la frecuencia de procesos periódicos (en este caso oscilaciones). Por ejemplo, 1 hercio, una de estas oscilaciones (tacto) por segundo.

Medir la velocidad del reloj (rendimiento) del procesador central en Hertz es inconveniente (se obtienen números demasiado grandes). Por lo tanto, cantidades tales como megahertz y gigahertz se usan aquí. Megahertz (Mhz) es un millón de Hertz (1,000,000 Hz). El GHz (GHz) es de 1000 megahercios (Mhz) o - mil millones de Hertzios (1,000,000,000 de Hz).

De acuerdo con lo anterior, resulta que la CPU con una velocidad de reloj de 3 Gigahertz es de 3000 Megahertz o tres mil millones de Hercios. Condicionalmente, es posible decirlo, cuanto mayor sea la frecuencia, más instrucciones se pueden procesar por unidad de tiempo. Según el ejemplo descrito, un procesador de 3 Ghz (GHz) puede realizar tres mil millones de operaciones por segundo.

Para una mejor asimilación, vea un pequeño video temático:

Puede ver el valor de la frecuencia del reloj haciendo clic derecho en el ícono "Mi PC" en el escritorio y seleccionando "Propiedades" en el menú desplegable. La siguiente captura de pantalla muestra imágenes con esta información para los sistemas operativos Windows 7 y Windows XP.

Además, este indicador se puede ver durante el inicio inicial del sistema operativo, ingresando al BIOS o utilizando una de las utilidades especializadas, como "CpuZ". Este maravilloso programa mostrará no solo el valor de la frecuencia del reloj, sino también muchas otras informaciones útiles.

Nota: consideramos el trabajo de este programa con suficiente detalle aquí, por lo que no lo repetiremos.

Recuerde la famosa "ley" de Gordon Moore, deducida por él en 1975: "¡El rendimiento de los procesadores modernos debería duplicarse cada 24 meses!". Debemos rendir homenaje a esta predicción: así fue, hasta hace un tiempo. Los fabricantes de procesadores simplemente aumentaban regularmente la velocidad de reloj de sus dispositivos (en medio de otras mejoras, en forma de comandos de procesamiento paralelo, ampliando la lista de instrucciones admitidas, reduciendo la tecnología de proceso, etc.), lo que permitió mantener la capacidad de supervivencia de esta declaración.

Está claro que esto no podría continuar indefinidamente: las grandes frecuencias requieren un procesamiento radical del sistema de refrigeración de un chip de calentamiento rápido. El autor de la declaración en 2007 dijo que, aparentemente, la "ley" no durará mucho. El hecho es que cuando se alcanza un cierto umbral de frecuencia (en el rango de 4000 a 5000 Megahertz), cualquier procesador comienza a funcionar de manera inestable y requiere un complicado sistema de enfriamiento.

Overclockers ("overclockers" de procesadores centrales) con experiencia afirman que el límite aproximado de un procesador overclockeado con refrigeración por aire es 4000-4500 Mhz. Debe entenderse que estas son las mejores muestras de chips, las más exitosas del lote, y puede haber una por varias docenas, más una placa madre superior que le permite aplicar un aumento de voltaje e incrementar la frecuencia FSB, memoria costosa (overclocking) con enfriamiento adicional y etc. Si instala un sistema de refrigeración por agua en la misma CPU, puede elevar la frecuencia a 5000, pero no el hecho de que será posible lograr un funcionamiento estable del dispositivo en todas las aplicaciones.

Nota: FSB (Front Side Bus) es una interfaz de alta velocidad para la interfaz entre el procesador de la computadora y otros periféricos y módulos ubicados en la placa base. La frecuencia del bus del sistema es la velocidad a la que el núcleo del procesador intercambia datos con la RAM, una tarjeta gráfica discreta, controladores de disco duro , etc.

Los verdaderos "maníacos" de su trabajo no se detienen y este y el curso es "artillería pesada" como el enfriamiento con el uso de freón, metal líquido, helio e incluso nitrógeno líquido. La última opción le permite "exprimir" del desafortunado dispositivo un récord de 6000 megahercios e incluso más. Por otro lado, ¿es poco probable que quiera trabajar en una computadora cubierta con corteza de hielo? :)

Ahora ha llegado el momento en que la frecuencia y la velocidad general de las computadoras modernas son suficientes para resolver la mayoría de las tareas del usuario normal de PC (ahora omitimos juegos y aplicaciones serias para modelar algo). Es por eso que un simple aumento en este indicador ya no brindará un aumento tangible de velocidad en las tareas diarias (de oficina), como antes. Ahora el rendimiento de las PC modernas está en gran parte determinado por otros parámetros y su combinación.

Uno de estos parámetros es la unificación bajo una sola cubierta de disipación de calor de una gran cantidad de núcleos (en este momento su número puede llegar a doce piezas). Aquí la aritmética es simple: cuantos más núcleos, mayor es la productividad (en igualdad de condiciones). Después de todo, todos los procesos, en este caso, comienzan a realizarse en paralelo (en cada uno de los núcleos), lo que (en teoría) debería aumentar significativamente la velocidad general. En la práctica, resulta ... diferente :)

Algunas de las aplicaciones simplemente "no saben" que puede trabajar con varios núcleos, algunos lo hacen mal y solo un "afilado" especialmente para aplicaciones de núcleos múltiples hay un aumento significativo. Hay aplicaciones que prácticamente no pueden ser paralelas. Por ejemplo, aplicaciones de oficina ("Microsoft Word" u "Open Office"). Otras tareas, como la codificación de video / audio, la compilación del código del programa, la representación de una escena tridimensional, por el contrario, son muy sensibles al procesamiento multiproceso y la ganancia máxima se obtiene con este enfoque.

La locomotora de multi-core se considera acertadamente variantes basadas en servidores de procesadores centrales. Esto es "Intel Xeon" y "AMD Opteron" respectivamente. Las soluciones de servidor se caracterizan por una mayor velocidad (debido a un gran caché) y escalabilidad (puede tener varios procesadores físicos con una gran cantidad de núcleos dentro de cada uno). Tales entusiastas de sistemas a veces instalan y en casa en motherboards ordinarias, pero esto es más por el interés deportivo :) Básicamente, procesadores similares se utilizan en servidores de ríos que están montados en bastidores especiales.

Nota: (Rack - rack / shelf) RackMount - el principio de la organización del equipo de conmutación.

Entonces, este tipo de servidor podría verse diferente:

Y aquí, en el estante de 19 pulgadas del río (también se llama el estante de telecomunicaciones):

Incluso hay gabinetes de telecomunicaciones completos con cerradura (Gabinete de protección). Pueden ver, por ejemplo, así:

En detalle sobre cómo estos servidores están organizados en el interior, qué procesadores tienen y cómo está organizada la sala de servidores en nuestro trabajo, lo consideramos en una de las lecciones.

Sobre la base de tales decisiones, se están construyendo los denominados supercomputadores. Por ejemplo, Intel ya lanzó 16 Xeons de 16 núcleos y está considerando soluciones con 22-24 y 28 núcleos. ¿Entiendes dónde se mueve todo este negocio, verdad? Así que la broma del equipo de KVN "Ural pelmeni" sobre el 48º procesador nuclear, pronunciada en 2012, ya no parece una broma. :)

Estoy seguro de que, con el tiempo, la mayoría de las aplicaciones funcionarán de manera efectiva en sistemas multi-core, ahora, con esto, no todo es tan optimista. Pero los fabricantes de CPU están aumentando constantemente esta cifra y ahora hay sistemas de escritorio con 12 núcleos. Por qué? Bueno, uno debe explicar de alguna manera al comprador por qué simplemente tiene que comprar este nuevo procesador? :)

El tercer componente más importante de la CPU de la computadora es su caché. Un caché es una pequeña cantidad de memoria muy rápida que se encuentra en el núcleo mismo y sirve para almacenar resultados computacionales intermedios, y también puede almacenar copias de los datos utilizados con mayor frecuencia de la memoria RAM de la computadora. La memoria caché puede actuar como una especie de "puente" con un movimiento rápido entre la RAM y la CPU de la computadora.

La memoria caché se divide en la memoria caché de instrucciones (para acelerar la carga del código máquina) y la memoria caché de datos que atiende las solicitudes de los usuarios. Este último a menudo tiene varios niveles (Nivel 1, Nivel 2 y Nivel 3). Cada nivel posterior es más grande (por la cantidad de memoria) del anterior, pero más lento en velocidad. ¿Por qué? Creo que para reducir el costo del producto final :) Pero su diseño ofrece, - una reducción significativa en la latencia del acceso de la CPU a la memoria RAM. Este es un tipo de buffer entre él y la CPU.

Hay tareas específicas, donde la memoria caché del procesador no representa el último rol. Se cree que esto incluye el proceso de archivar matrices de información y dispositivos con un caché grande y rápido para enfrentarlo mejor.

Como podemos ver, ¡ni la frecuencia, ni los núcleos múltiples, ni un gran caché en sí mismos garantizan un aumento en el rendimiento en absolutamente todas las tareas! En algún lugar será suficiente solo para una gran velocidad (frecuencia), en algún lugar requerirá multitarea: la operación se realiza en paralelo en varios núcleos. Esto requiere un enfoque integral y un delicado equilibrio entre todos los componentes.

Vamos más allá! Como la CPU está funcionando, se le aplica una corriente eléctrica. Esto lleva al hecho de que se calienta. Para evitar un fenómeno tan desagradable como el sobrecalentamiento del procesador de la computadora, se instalan varios sistemas de enfriamiento (agua silenciosa o basada en refrigeración por aire equipada con ventiladores).

A pesar de la constante disminución en el proceso tecnológico y la optimización del consumo de energía, los modelos de procesadores superiores están asediando obstinadamente la barra TDP de 200 vatios, ¡y algunos (AMD) la han conquistado con éxito! ¿Puede este "logro" ser inequívocamente llamado victoria? No creo :)

Cada uno de los fabricantes le da a su nuevo producto un nombre en clave, que caracteriza a toda una línea o familia de productos basada en una microarquitectura. En el pasado reciente, se utilizaron nombres tan sonoros como "Coppermine", "Wolfdale", "Barton", "Nahalem", "Prescott", "Conroe", "Sandy Bridge".

Es la microarquitectura del núcleo que determina cuál de las nuevas tecnologías se incorporará en el procesador futuro. Por ejemplo: soporte de hardware (a nivel de hardware) para tecnología de virtualización (tecnología de visualización), protección de desbordamiento de búfer (Intel Execute Disable Bit), AMD Turbo Core, overclocking controlado automático del procesador (TurboBoost analógico de Intel), varias opciones para instrucciones de SSE y 3D ahora, etc.

Ahora está de moda hablar no de CPU, sino de APU (Acelerated Processor Unit, procesador acelerado). ¿Qué es? Esta es una combinación en un solo chip o simplemente bajo una cubierta de distribución de calor de la CPU y la tarjeta de video en sí . Tales soluciones a veces se llaman procesadores híbridos. El resultado es una reducción en el consumo general de energía y los costos del sistema al reducir la cantidad de componentes (ya no se necesita una tarjeta gráfica externa).

Está claro que un sistema de este tipo no puede competir con una computadora de juegos en toda regla, pero para la mayoría de las tareas es incluso adecuado. Teniendo en cuenta el hecho de que en 2006 una conocida compañía AMD compró una compañía no menos famosa para la producción de aceleradores gráficos ATI, es lógico que sus APU parezcan más preferibles (debido al componente gráfico). La compañía "Intel" nunca se ha ocupado seriamente de los gráficos, su afición es la de los procesadores centrales y en este campo no tiene igual.

¿Qué más puedes decir sobre procesadores en el plan de aplicación? Usted, como posible comprador, no será desagradable al saber que se pueden comprar en dos variantes diferentes de entrega: "Caja" (Caja) y "Bandeja" (Bandeja). El boxeo es la entrega en caja:

Veamos que hay dentro de la caja?

Vemos aquí un sistema de refrigeración empaquetado en plástico protector (desde abajo) y la CPU de la computadora (rodeada de rojo). Tenga en cuenta que en la entrega en caja, ya se ha aplicado una interfaz térmica a la superficie inferior del radiador de refrigeración (una sustancia conductora del calor en forma de tres bandas grises). La interfaz térmica sirve para transferir mejor el calor del núcleo del cristal al radiador. Solo podemos abrir el paquete e instalar el diseño en la pizarra.

Si decide comprar un procesador en el suministro de la BANDEJA, prepárese para que se lo pueda llevar en una bolsa de plástico :) Compra por separado solo el chip en sí, sin un sistema de enfriamiento. ¿Para qué puede ser necesario? Por ejemplo, hice esto cuando estaba construyendo la computadora de mi casa. El enfriamiento estándar (en caja) no me gustó y decidí instalar un sistema de torre en su lugar. ¿Por qué pagar de más por una pieza innecesaria de aluminio con un ventilador, que luego estará inactivo?

Finalmente, un pequeño recordatorio de la experiencia personal: en los juegos modernos, el procesador no es lo principal. Основная нагрузка ложиться на внешнюю видеокарту, поэтому если Вы собираетесь производить модернизацию (апгрейд) своего компьютера именно с этой целью, то в первую очередь обратите внимание именно на его графическую подсистему. Почему я так уверенно об этом заявляю? Потому что сделав именно так (оставив старый процессор и купив новый GPU), я получил абсолютно нормальное быстродействие во всех играх 2015-го года!

Да, чуть не забыл! Я же хотел поделиться с Вами замечательной программой для тестирования процессоров! Она позволяет по максимуму нагрузить ЦП и выявить возможные проблемы в его работе. Нагружается не только сам процессор, но и фазы питания на материнской плате, поэтому утилита полезна вдвойне. Также она пригодится тем, кто занимается ремонтом компьютеров и, по долгу службы, вынужден устраивать своим «пациентам» стресс-тест на стабильность их работы.

Программа имеет различные режимы тестирования, а результаты ее работы Вы можете видеть в режиме реального времени в форме удобных, наглядных графиков.

Или — в виде таблицы:

Bueno, mientras esto es todo, descubrimos con el procesador, ahora sabrá para qué sirve el procesador en la computadora y por qué esquema y principio funciona. Si está interesado, puede ver un video sobre cómo se hacen los procesadores. ¡Te gusta, te aconsejo que mires!

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